Простая автономная охранная сигнализация
Охранная и сторожевая сигнализации являются всегда популярной темой книг для любителей самоделок, и поэтому автор не удержался от соблазна включить в книгу описание одного из таких устройств. К сожалению, большинство конструкций являются типичным, уже много раз повторенными комбинациями, включающими в себя фотодетектор и реле.
Никто не собирается критиковать схему сигнализации, однако для ее работы требуется источник питания, который порой найти не очень просто.
Поскольку данная книга посвящена фотоэлектричеству и устройствам питания, использующим фотоэлектрические преобразователи, то, кажется, единственно правильной предпосылкой будет рассмотреть источник света, который сам послужит источником энергии и обеспечит ею схему детектора, расположенную на некотором расстоянии от него.
Фактически такая охранная сигнализация полностью питает сама себя. Необходимо начать с источника света. Луч света направляется вдоль дверного проема, окна или комнаты, образуя охранную зону. На приемном конце солнечный элемент обнаруживает наличие светового луча и преобразует его в электроэнергию.
Солнечный элемент играет главную роль в работе устройства, он не только обнаруживает свет, но и обеспечивает энергией саму схему сигнализации. Весь секрет заключается в выборе схемы сигнализации, которая была специально разработана с целью обеспечения минимального потребления энергии. Благодаря такой характеристике схемы выходной сигнал солнечного элемента одновременно используется в качестве полезной информации о световом пучке и для энергопитания всего устройства.
Схему сигнализации можно условно разделить на три части. Начнем рассмотрение с фотоэлектрического преобразователя. Фактически под солнечным элементом, о котором говорилось до сих пор, подразумевалась солнечная батарея из пяти элементов, соединенных последовательно. Полное выходное напряжение батареи составляет 1,6 В при токе около 1 мА в зависимости от реальной освещенности элементов.
Прежде всего солнечная батарея должна обеспечить питанием схему сигнализации. Это достигается зарядкой небольшой аккумуляторной никель-кадмиевой батареи. Цепь заряда содержит солнечную батарею, диод D и аккумуляторную батарею. Когда на поверхность солнечной батареи падает «охранный» световой луч, аккумуляторная батарея заряжается током, протекающим через диод D1.
Из предыдущей главы известно, что аккумуляторная батарея будет понижать зарядное напряжение примерно до 1,35 В. С этой точки зрения аккумуляторную батарею фактически можно рассматривать как стабилитрон. С учетом падения напряжения 0,3 В на диоде D1 напряжение самой солнечной батареи стабилизируется на уровне 1,65 В.
Ток от солнечной батареи протекает также через сопротивления R1 и R2. Величина этого тока составляет менее 250 мкА, в то время как большая часть тока идет на зарядку аккумуляторной батареи. Резисторы R1 и R2 являются важной составной частью схемы детектирования. Рассмотрим все по порядку (рис. 1).
При протекании тока через R1 и R2 происходит деление напряжения. Сопротивления резисторов R1 и R2 подобраны так, чтобы при освещении солнечных элементов на резисторе R1 падение напряжения составляло лишь около 0,21 В. Это напряжение складывается с падением напряжения на диоде D1 (0,3 В), в результате разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора Q1 составляет 0,51 В.
Поскольку Q1 — кремниевый транзистор с минимальным напряжением смещения 0,7 В, то напряжение на базе слишком мало, чтобы открыть транзистор. При освещении солнечной батареи светом транзистор заперт и через него не течет никакого тока.
Рис. 1
Однако при прерывании светового пучка ток от фотоэлектрического преобразователя прекращается, следовательно, через резистор R1 не течет никакого тока. Прекращается ток также через диод D1.
При этом произойдет следующее: R1 станет высокоимпедансным источником, D1—обратносмещенным диодом (из-за исчезновения напряжения от солнечного элемента) и ток потечет через R2 и переход база—эмиттер транзистора Q1. Теперь появится и коллекторный ток.
Коллекторный ток поступает на микросхему ІС1 (генератор сигнала тревоги). В данной конструкции используется именно эта микросхема, поскольку она работает при крайне низком напряжении питания и потребляет весьма малый ток. При напряжении питания 1,5 В (характерном для сигнализации) микросхема LM3909 перехо-0ит в неустойчивое состояние и, следовательно, будет находиться
в режиме генерации Значения компонентов R5, R6 и С1 определяют частоту генерации. Микросхема LM3909 содержит также выходной каскад усиления мощности. Подключая акустический преобразователь (громкоговоритель) между выходом генератора (вывод 2) и плюсовой клеммой батареи, при работе генератора можно услышать громкий, хорошо различимый сигнал.
При прерывании светового луча схема детектора сразу же срабатывает и раздается звуковой сигнал. Когда световой луч восстанавливается, транзистор Q1 выключается и генерация прекращается Таким образом, схема играет роль колокольчика, звенящего при открывании двери или калитки.
Если автоматическое восстановление схемы нежелательно, например, в системе охранной сигнализации, в базовое устройство вводится схема фиксации. Это в основном элементы схемы R3, Q2 и /?4, однако вся хитрость работы схемы фиксации определяется микросхемой LM3909.
Внутри микросхемы между выводами 5 и 6 включен резистор сопротивлением 12 Ом. Пока на плюсовой вывод 5 не подано напряжение, на выводе 6 оно будет также отсутствовать. Это — состояние схемы до фиксации.
Когда луч света прерывается, включается транзистор Q1 и подает питание на вывод 5, запуская генератор. На выводе 6 также появляется потенциал. Если переключатель «фиксация S1» включен, то напряжение с вывода 6 через резистор R4 поступает на базу транзистора Q2. Через транзистор Q2 и резистор R3 начинает течь ток, еще более увеличивая ток, уже текущий через базу транзистора Q1.
Если даже с солнечного элемента вновь поступает напряжение, путь протекания тока, генерируемого солнечными элементами, значительно изменяется. В результате сопротивление резистора R1 уже не меньше сопротивления резистора R2 и падение напряжения на R1 увеличиваается. Эффективное сопротивление R2, R3 и Q2 становится малым по сравнению с R1, и солнечные элементы не способны вывести транзистор Q1 из состояния насыщения. Таким образом, сигнал тревоги будет подаваться даже при восстановлении светового луча. Его можно отключить только выключателем S1.
Основой конструкции является батарея, составленная из пяти миниатюрных солнечных элементов, соединенных последовательно и внешне напоминающих черепичную крышу. Понятно, что можно использовать достаточно миниатюрные элементы, поскольку от них потребуется минимальный ток. Такую батарею изготовить непросто без достаточного владения техникой резки элементов и соответствующих для этого приспособлений. Настоятельно рекомендуется приобрести готовую батарею, указанную в списке деталей.
Рис. 2
Для увеличения дальности действия охранной сигнализации солнечные элементы снабжаются параболическим зеркалом. Зеркало собирает лучи света с большого пространства и фокусирует их на элементах. Для этой цели был использован переносной фонарик, и вы можете сделать тоже самое. Необходимо выбрать фонарик с наибольшей апертурой линзы, которую можно найти,— это важно. Затем разобрать узел отражателя и удалить лампочку.
Теперь солнечная батарея приклеивается изнутри к прозрачной защитной линзе в ее центре, тыльная сторона батареи при этом должна быть обращена к линзе. Линза устанавливается на место так, чтобы солнечная батарея располагалась против отверстия от лампочки. Через это отверстие пропускаются два проводника от батареи, а затем закрепляется отражатель.
Конечно, батарея загораживает собой значительную часть прозрачной линзы, и из-за этого необходимо выбрать возможно больший отражатель. Можно также уменьшить размеры отдельных солнечных элементов и снизить габариты батареи.
Поскольку выводы серийных солнечных батарей не имеют цветовой маркировки, необходимо самим определить их полярность. Провод, припаянный к лицевой поверхности нижнего элемента, имеет отрицательную полярность и присоединяется к корпусу. Другой провод, припаянный к тыльной поверхности верхнего элемента, имеет положительную полярность. Детекторный и генераторный узлы устройства размещаются на печатной плате, представленной на рис. 2, а размещение детален на ней — на рис. 3.
Все детали припаиваются к плате, за исключением солнечной батареи. Если ее присоединить, то сработает сигнализация. При желании можно последовательно с батареей установить выключатель, позволяющий отключать сигнализацию, когда ею не пользуются.
Рис. 3
Печатная плата устанавливается в отсек фонарика, предназначенный обычно для батареек. Необходимо разместить плату так, чтобы акустический преобразователь сообщался с внешним пространством, в противном случае его пронзительный звук будет приглушен. Кроме того, сверлится отверстие в корпусе для переключателя «фиксация». Необходимо закрепить проводники, идущие от солнечных элементов, и аккуратно собрать фонарик, на этот раз припаяв батарею к схеме. Охранное устройство готово к работе.
Если монтаж выполнен правильно, система будет выдавать пронзительный сигнал тревоги. Чтобы ее «успокоить», необходимо выключить фиксацию срабатывания и осветить поверхность солнечных элементов. Сделать это просто: до установки системы на пред* назначенное для нее место она помещается под настольную лампу.
Типичная схема установки охранного устройства в дверном проеме представлена на рис. 4. Она закрепляется на высоте 60 см, достаточной для большинства случаев. Луч света направляется так, чтобы он перекрывал проход в помещение.
Рис. 4
Теперь необходимо установить устройство сигнализации на противоположной стороне проема. Возможно, потребуется подрегулировать направление луча света, чтобы он точно падал на поверхность солнечных элементов. Это легко установить: при точном наведении луча сигнал тревоги прекратится.
В качестве источника света можно использовать любой мощный фонарь. Для этой цели был взят такой же фонарик, что и для размещения схемы сигнализации. Батарея была заменена 6-вольтовым понижающим трансформатором, причем один вывод 6-вольтовой обмотки был подсоединен к лампочке, а другой — к сети.
Если имеется желание сделать луч света незаметным, можно использовать инфракрасный светофильтр. Даже красный целлофан сделает луч менее заметным Поскольку кремниевый солнечный элемент обладает значительной чувствительностью в красной и инфракрасной областях спектра, потеря в чувствительности будет незначительной. Тем не менее необходимо учитывать ослабление, вносимое фильтром: нельзя ожидать, что дальность действия системы останется прежней.
Следует обратить внимание на то, что, если фильтр закроет поверхность светоизлучателя, может произойти его нагрев. Степень нагрева зависит от вида фильтра и его пропускания. При сильном нагреве возможно возгорание.
Использование источника света, питаемого от сети переменного тока, имеет дополнительное достоинство: схема сигнализирует о прекращении подачи электроэнергии.
Список деталей
Резисторы
R1— 1 кОм
R2 — 6,8 кОм.
R3 — 180 Ом
R4 — 3,9 кОм
R5—220 Ом
R6—470 Ом
Конденсаторы
С1—1,0 мкф
Полупроводник
D1 — 1N34A
IC1—LM3909
Q1—ECG 159
Q2 — ECG 123 А
Остальные детали
S1—SPST переключатель
Солнечная батарея — (Edmund Scientific, иомер по каталогу С42 ,464)
Акустический преобразователь — 45-омный громкоговоритель (Panasonic EAF-I4R06)
Никель-кадмиевая батарея —тип 1/3 ААА
Портативный переносной фонарик (см. текст)
Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.